JP5518118B2 - Sealing device for rotating turbine blades - Google Patents
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Description
本発明は、改良されたシール装置、特に、ブレード又は翼の半径方向配列を包囲するダイヤフラム又はダイヤフラムリングによって支持された又はその他の形式でダイヤフラムリングに結合されたシール装置に関する。この装置は、有利にはターボ機械において使用することができる。本発明は特に、回転部分又は翼とタービンのケーシングとの間の間隙を通る流体の漏れを防止するための装置に関する。 The present invention relates to an improved sealing device, and in particular to a sealing device supported by or otherwise coupled to a diaphragm ring or diaphragm ring that encloses a radial array of blades or wings. This device can advantageously be used in a turbomachine. The invention particularly relates to an apparatus for preventing fluid leakage through a gap between a rotating part or blade and a turbine casing.
以下の説明では「タービン」とは、水又はガス等の流体媒体によって力結合された、回転部分と固定部分とを有する回転機関を指すために使用される。特に本発明にとって関係があるのは、移動するロータブレードの半径方向配列と交互に配置された、半径方向に配置された固定されたステータブレードを有する軸流タービンである。移動は概して、ケーシング又はハウジングに対する移動として定義される。 In the following description, “turbine” is used to refer to a rotating engine having a rotating portion and a stationary portion that are force-coupled by a fluid medium such as water or gas. Of particular relevance to the present invention is an axial turbine having stationary stator blades arranged radially, alternating with a radial array of moving rotor blades. Movement is generally defined as movement relative to the casing or housing.
タービンの設計及び運転において直面する一般的な問題は、ロータブレードの先端部又はロータブレードに取り付けられた周方向シュラウドと、ハウジングとの間の漏れである。ラジアルタービンの運転は、回転するブレードと、ケーシングの定置の壁部又はケーシングのあらゆる延長部との間に、最低限の先端部間隙を必要とする。しかしながら、この間隙は漏れ流を生ぜしめ、この漏れ流は、圧力面と吸込面との間の差圧によって駆動される。 A common problem encountered in turbine design and operation is leakage between the rotor blade tips or circumferential shrouds attached to the rotor blades and the housing. Radial turbine operation requires a minimum tip clearance between the rotating blades and the stationary wall of the casing or any extension of the casing. However, this gap creates a leakage flow, which is driven by the differential pressure between the pressure surface and the suction surface.
先端部漏れを減じるために、回転部分と固定部分との間の間隙を適切なシールによって閉鎖することが知られている。この目的のために使用される最も一般的なタイプのシールは、ラビリンスシールである。ラビリンスシールは通常、一方の部分に設けられた多数の半径方向に延びた環状のナイフと、他方の部分に設けられた対応する環状のシールランド、又はスレット(threats)又は溝の配列を有する。全てのタイプのラビリンスシールは、間隙を通る流体のための曲がりくねった経路を提供するという共通の特徴を有する。タービンにおける先端部漏れを防止するために、シールはしばしば、ケーシング内においてこのケーシングによって支持された二分割部品若しくはセグメントとして通常組み立てられる完全なリングの形状を成している。 In order to reduce tip leakage it is known to close the gap between the rotating part and the fixed part with a suitable seal. The most common type of seal used for this purpose is the labyrinth seal. Labyrinth seals typically have a number of radially extending annular knives provided in one part and corresponding annular seal lands, or arrays of threats or grooves provided in the other part. All types of labyrinth seals have the common feature of providing a tortuous path for fluid through the gap. In order to prevent tip leakage in the turbine, the seal is often in the form of a complete ring that is normally assembled in the casing as a two-part or segment supported by the casing.
ラビリンスシールは周知でありかつ全ての主要なタービン製造業者の設計において使用されているので、本発明の目的のために、このようなシールが複雑な形状であり、これは、適切に機能するために精密な公差で切削されなければならないことを強調すれば十分である。運転中のシールの部材の標準位置からのあらゆる移動は、通常、可動部分と固定部分との間の漏れ又は摩擦を著しく増大させる。回転するブレードのための公知のラビリンスシールは、タービンの内側ケーシング、及びダイヤフラム構造物又はリング状キャリヤに一体化されている。 Since labyrinth seals are well known and used in the design of all major turbine manufacturers, for the purposes of the present invention, such seals are complex in shape, which is to function properly. It is enough to emphasize that it must be cut with close tolerances. Any movement of the seal member during operation from the standard position typically increases significantly the leakage or friction between the movable and fixed parts. Known labyrinth seals for rotating blades are integrated into the inner casing of the turbine and the diaphragm structure or ring carrier.
回転部分の半径方向の膨張又は収縮の際にシールの部材を相対移動させるために、幾つかのシールは、ばね支持型パッケージとして組み立てられている。ばね支持型のシールでは、弾性力が、シールの一方の部分を他の部分に対して押し付け、これにより、間隙の拡大又は過剰な摩擦を防止する。このような解決手段の例も知られている。例えば、AEG文献、"Spezielle Konstrucktionsaufgaben aus dem AEG-Grossturbinenbau"、Hans Reuschke(DK 621.165-181.2:62.0022)には、第90頁〜第91頁の"Wellendictung"のセクションにおいて、ばね支持型リングがダイヤフラムの間のシールを支持することが記載されている。 Some seals are assembled as spring-supported packages to move the seal members relative to each other during radial expansion or contraction of the rotating part. In spring-supported seals, the elastic force presses one part of the seal against the other, thereby preventing gap enlargement or excessive friction. Examples of such solutions are also known. For example, in the AEG document "Spezielle Konstrucktionsaufgaben aus dem AEG-Grossturbinenbau", Hans Reuschke (DK 621.165-181.2: 62.0022) Supporting the seal in between is described.
ラビンリンスシールに代わる公知の手段は、ブラシシール及びフィンガシールである。これらのタイプのシールは概して、一方の部分に取り付けられた複数のフレキシブルな部材を有し、これらの部材は、他方の部分における適切な表面にシール係合する。 Known alternatives to the labyrinth seal are brush seals and finger seals. These types of seals generally have a plurality of flexible members attached to one part that are in sealing engagement with suitable surfaces in the other part.
公知ではあるが、あまり一般的に用いられていない別の代替手段は、2つの適切な成形された係合面を有するフィルムライディングシールである。タービンが回転すると、表面の間に流体の薄いフィルムが形成され、小さな持上げ力がこれらの表面を離反させる。通常、復元力を加えるためにシール設計において弾性エレメントが設けられており、この復元力は、始動時の摩擦を低減し、かつ持上げ力に対抗し、シーリング面の間に適切な一定の間隙を維持する。 Another alternative, which is known but less commonly used, is a film riding seal having two suitable molded engagement surfaces. As the turbine rotates, a thin film of fluid is formed between the surfaces and a small lifting force separates these surfaces. Typically, an elastic element is provided in the seal design to apply a restoring force, which reduces the starting friction and counters the lifting force and provides an appropriate constant gap between the sealing surfaces. maintain.
タービンの設計において、既存の旧型のタービンを、特にブレードのような現代的でかつより効率的な構成部品を備えるように改造する場合、どのようにシールを取り付けるかの選択肢はしばしば制限される。幾つかの改造において、シールの固定部分をタービンのケーシングに直接に取り付けるか又はその他の形式で固く結合することは可能でないか又は望ましくない場合がある。引用したことによりその全体が本明細書に記載されたものとする、共同で所有された、公開された米国特許出願公開第2008/0170939号明細書に記載された設計は、シールの固定部分がケーシングに固く結合されないシール設計を例示するための例を示している。 In turbine design, when retrofitting existing older turbines with modern and more efficient components, particularly blades, the options for how to install the seal are often limited. In some modifications, it may not be possible or desirable to attach the fixed portion of the seal directly to the turbine casing or otherwise securely couple. The design described in co-owned published U.S. Patent Application Publication No. 2008/0170939, which is hereby incorporated by reference in its entirety, is designed so that the securing portion of the seal is Fig. 4 shows an example to illustrate a seal design that is not tightly coupled to the casing.
現在では、シールがタービンのステータに結合される形式に依存して、シールは、流体がタービンを流過する間にステータブレードにかかる力によって生ぜしめられる変位又は歪みを生じる場合があることが分かっている。この変位は通常、シーリング面の間により広い間隙を生じ、これによりシール性能を低下させる。シール間隙の拡大につながる別の変位は、タービンの内側ケーシングの変形の結果であることもある。 Currently, it has been found that depending on the manner in which the seal is coupled to the turbine stator, the seal may cause displacement or distortion caused by the force on the stator blades as fluid flows through the turbine. ing. This displacement usually creates a wider gap between the sealing surfaces, thereby reducing the sealing performance. Another displacement that leads to an increase in the seal gap may be the result of deformation of the inner casing of the turbine.
したがって、本発明の課題は、これらの変位又は変形の効果を低減又は排除することである。 The object of the present invention is therefore to reduce or eliminate the effects of these displacements or deformations.
本発明の一態様によれば、交互に配置された固定ブレードの半径方向配列のための外側支持を提供する連続するダイヤフラムを有するタービンのためのシールが提供され、このシールは、回転ブレードの外側端部の周囲の流体の流れを低減するシールの一部を形成する、半径方向及び軸方向で支持された外側シール部分を有し、この外側シール部分の半径方向支持部は、キー及び周方向延長部によって半径方向で所定の位置に保持されたリングとして形成されており、キー及び周方向延長部は十分な間隙を有することにより、圧力シール面及びケーシングに対する軸方向での支持を保証しながらリングとケーシングとの相対的な半径方向移動を許容し、リングが、ケーシング及び/又はダイヤフラムからの十分な間隙を有することにより、軸方向での(軸方向平面における)ダイヤフラムの回転移動の際に半径方向に変位させられることから実質的に隔離されている、つまり半径方向に変位させられないようになっている。 In accordance with one aspect of the present invention, a seal is provided for a turbine having a continuous diaphragm that provides outer support for a radial arrangement of alternating stationary blades, the seal being external to the rotating blades. A radially and axially supported outer seal portion that forms part of a seal that reduces fluid flow around the end, the radial support portion of the outer seal portion comprising a key and a circumferential direction It is formed as a ring that is held in place in the radial direction by the extension, and the key and circumferential extension have sufficient clearance to ensure axial support for the pressure seal surface and casing Allowing relative radial movement between the ring and the casing, the ring having sufficient clearance from the casing and / or diaphragm, Are substantially isolated from the is displaced radially during the rotational movement of the diaphragm (in the axial plane) in direction, that is, so as not to displace in the radial direction.
本発明の目的は、回転ブレードの先端部をシールするための外側シール部分を提供することである。新規の外側シール部分は、静翼若しくは固定ブレード、及び静翼に結合されたダイヤフラム又はケーシングの部分の回転移動に対する感度が低くなるように設計されている。この回転移動は、固定ブレードが流れの力を受けた時に発生する恐れがある。本発明は、外側シール部分を半径方向で支持する安定化構造を有する。つまり、この安定化構造は、ケーシングに差し込まれたリングとして形成されている。リング本体は、上流及び/又は下流のダイヤフラムに対して十分な間隙を有する。ダイヤフラムはここでは、固定ブレードのあらゆるベース部分、又はケーシング自体の内側延長部を含むものと定義される。 An object of the present invention is to provide an outer seal portion for sealing the tip of a rotating blade. The new outer seal portion is designed to be less sensitive to rotational movement of the vane or stationary blade and the diaphragm or casing portion coupled to the vane. This rotational movement may occur when the stationary blade receives a flow force. The present invention has a stabilizing structure that radially supports the outer seal portion. That is, this stabilization structure is formed as a ring inserted into the casing. The ring body has sufficient clearance for the upstream and / or downstream diaphragms. Diaphragm is defined herein to include any base portion of the stationary blade, or the inner extension of the casing itself.
リングは、外側の周方向の、半径方向外方へ突出した延長部若しくはリムを有しており、この延長部若しくはリムは、ケーシングの並置された面又はエッジと係合するタービンの軸方向での支持を提供する。択一的に、周方向延長部は、ケーシング、又はダイヤフラム等のケーシングに結合されたあらゆる部分から半径方向内方へ突出していることができる。両方の選択肢はリングのための軸方向支持を提供することができる。 The ring has an outer circumferential, radially outwardly extending extension or rim, which extends in the axial direction of the turbine engaging the juxtaposed surface or edge of the casing. Provide support for. Alternatively, the circumferential extension can project radially inward from any part connected to the casing, such as a casing or diaphragm. Both options can provide axial support for the ring.
しかしながら、キー及び周方向延長部の形態の軸方向支持は、ケーシングに対するリングの小さな半径方向移動を許容するように設計されていることに注意することが重要である。これにより、ケーシングが流れの力又は温度差によって標準形状から歪められたとしても、リングは結果として生じる変形から切り離される。 However, it is important to note that the axial support in the form of keys and circumferential extensions is designed to allow small radial movement of the ring relative to the casing. This isolates the ring from the resulting deformation even if the casing is distorted from the standard shape by flow forces or temperature differences.
発明の上記態様の第1の好適な変化態様において、軸方向支持は、リングの外周に設けられた加工されたエッジ又は溝によって提供され、軸方向に向けられた面は、ケーシングにおける対応する溝又はエッジにおける並置された面と接触する。 In a first preferred variant of the above aspect of the invention, the axial support is provided by a machined edge or groove provided on the outer periphery of the ring, the axially directed surface being a corresponding groove in the casing. Or contact the juxtaposed surfaces at the edges.
発明の上記態様の第2の好適な変化態様において、軸方向支持は、ダイヤフラムとケーシングとの間のギャップ内に配置された、リングの外周に設けられた加工されたエッジ又は溝によって提供される。 In a second preferred variant of the above aspect of the invention, the axial support is provided by a machined edge or groove provided in the outer periphery of the ring, which is arranged in the gap between the diaphragm and the casing. .
据付け及びメンテナンスを容易にするために内側及び外側のリングを有するようにリング状の支持部を設計することが有利である場合がある。 It may be advantageous to design the ring-shaped support to have inner and outer rings for ease of installation and maintenance.
例えばばねによって外側シール面を弾性的に取り付けることによってシールの性能をさらに高めることが可能である。弾性的な取付けは、回転するブレードの先端部における内側シール面と、外側シール部材との間の間隙が変化したとしても、シール面の間の接触を維持する。 It is possible to further enhance the performance of the seal, for example by elastically attaching the outer sealing surface with a spring. The resilient attachment maintains contact between the seal surfaces even if the gap between the inner seal surface and the outer seal member at the tip of the rotating blade changes.
発明のこれらの態様及び別の態様は以下の詳細な説明及び以下に列挙する図面から明らかになるであろう。 These and other aspects of the invention will become apparent from the following detailed description and the drawings listed below.
発明の典型的な実施の形態を添付の図面を参照して以下に説明する。 Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings.
上記で引用した米国特許出願公開第2008/0170939号明細書の図2の関連する特徴を再現した、図1によって示されたいわゆる"コンパクトダイヤフラム"設計をまず参照した以下の説明において、本発明の態様及び実施例の詳細をさらに詳細に説明する。図1は、蒸気タービンにおける可動ブレード若しくは動翼12,13の連続した環状の列の間に配置された完全に組み立てられたダイヤフラムを示す部分的な半径方向断面図である。可動ブレードにはそれぞれ、半径方向内側のT字形の根元部分14,15が設けられており、これらの根元部分14,15は、ロータドラム18の周面に加工された対応するスロット16,17に配置されている。可動ブレードの先端部には、シュラウド19,20と呼ばれる半径方向外側のエレメントも設けられている。図示の例では、シュラウド19,20はラビリンスシールの可動部分を支持している。包囲する分割されたリング21,22はシールの固定部分を支持している。これらのリング21,22は、上流及び下流のダイヤフラムリング33,34に固く結合されており、これらのダイヤフラムリング33,34自体はタービンのケーシング10内に取り付けられている。公知のように、シュラウド19,20とリング21,22との間のシールは、分割されたリング21,22に加工された溝に圧入されたリップ又はフィン23,24によって達成されている。
In the following description, referring first to the so-called “compact diaphragm” design illustrated by FIG. 1, which reproduces the relevant features of FIG. 2 of the above-cited US Patent Application Publication No. 2008/0170939. Details of embodiments and examples are described in further detail. FIG. 1 is a partial radial cross-sectional view showing a fully assembled diaphragm disposed between successive annular rows of moving blades or
分割されたリング21,22はダイヤフラムリング33,34によって支持されており、ダイヤフラムリング33,34自体はステータブレード若しくは静翼30,31の底部に溶接されていることに注意することが重要である。
It is important to note that the split rings 21, 22 are supported by diaphragm rings 33, 34, which are welded to the bottom of the stator blades or
運転中、ステータブレード30,31はタービンを通る流れに曝される。この流れが伝達する力は、タービンの固定部分に様々な影響を与える。図2A及び図2Bは、一つのブレードの例を用いて軸方向の固定ブレードの小さな回転又は曲げ移動の効果を示している。図1及び図2における同じ機能を有する1つ又は複数の同じエレメントは同じ符号で示されている。
During operation, the
ブレード30及びシール支持リング21の組立て位置又は標準位置が図2Aに示されている。図2Bには、ブレード30が流れの方向に曲げられ、ダイヤフラムリング33及びシール支持リング21を含む僅かな回転移動を行っている様子が示されている。支持リング21の移動は図2Bにおいて最大半径方向移動xと、回転角αとによって示されている。先端部漏れに対するこの撓みの効果は、与えられたタービン設計の場合、特定の幾何学的形状及びその他のパラメータに依存するが、シミュレーションが示すところでは、変位は先端部漏れ面積を30%以上増大させる恐れがある。回転移動の効果は、ここではダイヤフラムリングに取り付けられたステータブレードの例を用いて示されているが、他のタービン設計のようにステータブレードがケーシングに直接に固定されている場合にも、それほど顕著ではないが、同様の効果が生じる。
The assembled or standard position of
回転移動による先端部漏れを減じる第1の典型的な装置は図3に示されている。上記図面において同じ又は同様の形態で既に出現した図3のエレメントは、再び同じ符号で示されている。この例においては、シール支持リング21は、シールエレメント23のための半径方向及び軸方向支持を提供する内方へ屈曲したフランジを備えたリム状構造である。支持リング21は、上流及び下流のダイヤフラムリング33,34との間に間隙を有する。支持リング21は、ボルト25を用いてハーフジョイントにおいて螺合された状態で示されている。リング21は支持キー28においてケーシング10へ差し込まれており、半径方向外方へ突出したリングの周方向延長部27によって軸方向でシールされている。リング21の内方へ屈曲したフランジによって形成されたチャンバ内の所定位置に保持されながら、シールエメント23は弾性エレメント29によって支持されており、この弾性エレメント29は、シールが対向面に接触した状態を維持するように働く。弾性エレメント29は例えば板ばねを含むことができる。対向面は、回転するブレード13の先端部又はシュラウド19に設けられている。
A first exemplary device for reducing tip leakage due to rotational movement is shown in FIG. Elements of FIG. 3 that have already appeared in the same or similar form in the drawings are again denoted by the same reference numerals. In this example, the
ケーシング10が例えば熱応力によって半径方向に変形させられると、リング21の外側の周方向延長部27は、結果的なゆがみを許容するために、ケーシング10の対応する周方向溝11内に十分な半径方向間隙を有する。リング21とダイヤフラムリング33,34との間の間隙は、上記の図2において詳述したような軸方向の小さな回転からリング21を隔離するのに十分である。
When the
本発明による第2の典型的な装置が図4に示されている。上記図面に同じ態様で既に出現した図4のエレメントは、再び同じ符号を用いて示されている。この例では、シール支持リング21はL字形断面を有するように示されている。リング21の外側周方向エッジ27は、上流のダイヤフラムリング34とケーシング10との間の間隙内へ延びている。この例のこの延長したシール支持リング21は、ケーシング10内に差し込まれ、上記例におけるように接合部においてボルト留めされている。周方向切欠26は、リング21の(半径方向)内側のシール支持部分とダイヤフラム34との間に間隙を提供し、リング21をダイヤフラムの半径方向移動に追従させることなくダイヤフラム34を回転させる。
A second exemplary apparatus according to the present invention is shown in FIG. Elements of FIG. 4 that have already appeared in the same manner in the above figures are again indicated with the same reference numerals. In this example, the
図5A及び図5Bに示したような第3の例において、支持リングは、ケーシング10の半径方向内方へ突出した部分27における軸方向に向けられた面又はエッジと係合することによって軸方向で圧力シールを直接に提供する。ケーシングのこの延長した部分はステータブレード30,31又はダイヤフラムリング33,34の回転に影響されないので、支持リングはやはりこのような回転の効果から隔離されている。この例において、支持リングは前記例のようにキー28を用いて差し込まれている。しかしながら、この取付けを容易にするために、図5の支持リング21は、内側及び外側のリング51,52にそれぞれ分割されている。内側リング51はシール23を支持している。横方向キー53は、タービンの中心軸線を中心とするリング構造全体の回転を防止するのに対し、横方向ピン54,55は内側リング51の回転を防止する。横方向キー53のようなキーを、上述の例においてリングを固定するために使用することもできる。
In a third example as shown in FIGS. 5A and 5B, the support ring is axially engaged by engaging an axially directed surface or edge in the radially inwardly projecting
本発明は、純粋に例として上記に説明されており、発明の範囲において変更を行うことができる。例えば、ステータブレードを、ダイヤフラムリングではなくケーシングの内側半径方向延長部に直接に取り付けることができる。次いでシール支持リングはこのような延長部から間隙によって分離される。 The present invention has been described above purely by way of example, and modifications can be made within the scope of the invention. For example, the stator blades can be attached directly to the inner radial extension of the casing rather than to the diaphragm ring. The seal support ring is then separated from such extensions by a gap.
本発明は、ここで説明又は暗示された又は図面に示された又は暗示されたあらゆるそれぞれの特徴、又はあらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、又は発明の均等物に拡張されるあらゆるこのような特徴又は組合せのあらゆる一般化をも含む。つまり、本発明の範囲は、上記の典型的な実施の形態のいずれによっても限定されるべきではない。図面を含む明細書に開示されたそれぞれの特徴は、そうでないことが明言されない限りは、同一の、均等の又は類似の目的を果たす択一的な特徴によって置き換えられてもよい。 The invention may be any and all features described or implied herein or shown or implied in the drawings, or any combination of any such features, or equivalents of the invention. Or any generalization of combinations. In other words, the scope of the present invention should not be limited by any of the above exemplary embodiments. Each feature disclosed in the specification, including the drawings, may be replaced by an alternative feature serving the same, equivalent, or similar purpose unless explicitly stated otherwise.
ここで明言されない限り、明細書中の従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が広く公知であるか又は当該技術分野における共通の一般的な知識の一部を構成することを認めるものではない。 Unless expressly stated herein, any prior art description in the specification is not an admission that such prior art is widely known or forms part of common general knowledge in the art. Absent.
10 ケーシング
11 ケーシングの周方向溝
12,13 可動ブレード
14,15 半径方向内側のT字形の部分
16,17 対応するスロット
18 ロータドラム
19,20 シュラウド
21,22 シール支持リング
28 支持キー
23,24 シールフィン/シールエレメント
25 ボルト
26 周方向切欠
27 半径方向の周方向延長部
29 弾性エレメント
30,31 固定ブレード
33,34 上流及び下流のダイヤフラムリング
51,52 内側及び外側の支持リング
53 横方向キー
54,55 横方向ピン
x 最大半径方向移動
α 回転角
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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